三維斷裂分析軟件FRANC3D教程淺析

張 濤 楊玉玲

0 引言

三維斷裂分析軟件FRANC3D是美國康奈爾大學開發的一款專門用于斷裂分析的自由軟件,它和OSM(Object Solid Modeler)立體對象建模器、BES(Boundary Element System)邊界元系統共同構成一套完整的斷裂分析系統。OSM主要用于前處理的工作,比如坐標的輸入、線面體的形成等,BES主要用于后處理的工作(有限元的分析)。初級教程里介紹了一個鋁質材料的簡單裂紋分析及擴展模擬。以下就此教程做簡要的概述和分析。

1 OSM(立體對象建模器)

1.1 對象界面及按鈕介紹

運行OSM后,最先看見的就是如圖1所示的界面,它主要由主菜單、信息欄以及一些顯示控制按鈕組成。

對于先前建好的OSM模型,此時可以直接選擇“Read OSM Modle File”讀入模型文件,第一次建模型則需選擇“Create New Modle”,按照教程所給坐標點,輸入坐標。連點成線、連線成面,其中模型中的四分之一圓弧是由兩個弧線連接而成的(如圖2所示)。另外,需注意每個面的外法線的方向(教程上要求每個面法線的方向都必須向外),查看法線的方向可以點選顯示菜單(SELECT,DISPLAY)中的 NORMALS。

1.2 對象顯示的控制

按照教程的步驟建立好模型,保存模型文件即可進行下一步的操作,但是在必要的時候需要查看建立的模型是否正確,這就需要對模型進行有關顯示的操作,例如放大、縮小、翻轉角度等。主要方法有兩種:一種是鼠標點擊控制按鈕,這里不做說明;另一種是快捷操作,按住鼠標右鍵不動即可拖動模型、Shift+鼠標右鍵可翻轉角度、Ctrl+鼠標右鍵可放大或縮小模型。

2 FRANC3D結構處理

讀入已經保存好的模型文件(后綴為Dat)后,設置材料屬性、添加邊界約束條件、劃分邊界線,在劃分弧面附近處的線段時,需保證較小的線段靠近弧面,選擇“Reverse Ratio”可以更改比例方向。在模型網格化后,得到的網格化模型應如圖4所示,若有錯誤則應重復劃分邊界線的工作,再次網格化模型,直到達到要求的為止。

此時的模型網格化只是簡單、粗糙的劃分,在后序添加裂縫后還需進行再一次模型網格化。

3 BES結構再處理及分析

保存上述建立的模型:先保存FRANC3D(.fys)文件;再保存BES(.bes)文件。在保存BES文件時選擇線性保存(liner),平方(quadratic)基本上用不到。保存文件完成后即可運行BES進行結構分析,運行完成后,切換出信息窗口,需看到“Max u adjustment 0.000000～”,此時表明運行正確,然后顯示運行的結果,此處不再贅述。

裂紋添加的方法有兩種,教程中都有給出。一種是手動輸入坐標;另一種是數據庫里調出裂隙數據,直接添加到模型上。本文簡要說明一下自動添加裂紋,在彈出的數據對話框里面,可以設置添加的裂紋所被劃分的段數、與裂紋相鄰兩邊的起始點長度、裂紋添加的方向等,總之,按照教程以及自己的實際模型設置參數。

最后要注意的一點就是模型的再劃分,模型在重新劃分邊界后需要再一次的網格化,選擇自動網格化后,一定要檢查模型是否完全劃分,尤其是靠近弧面處的單元,若劃分無誤,則可以設置應力強度因子等進行裂隙的擴展模擬。關鍵在于模型是否能夠準確的建立,此后的工作會較簡單。

4 裂紋擴展中的簡單原理

模型中的3D裂紋被沿著定義的幾何邊緣劃分為一定的段數,對于在與裂紋前端正交的面上的每個點,二維裂紋擴展理論都是適用的。斷裂力學的理論和裂紋的不同增長方式原理都包含在軟件的修改模塊里面,靠近裂紋尖端的應力和位移與功能因子 r和θ有關,具體關系見式(1):

應力強度因子也可以從與位移相關的邊界有限元分析中提取,裂紋尖端的位移場表達見式(2):

同樣的,應力強度因子K我們可以按式(3)提取:

裂紋擴展的方向遵循最大環向應力準則即:當σrθ=0時,σθθ取得最大值,表達式見式(4):

這樣就得到了我們分析裂紋擴展所需的一些基本參數。

5 結語

FRANC3D是一款做3D裂紋擴展的專業軟件,它采用的是面向對象的操作界面,相對于其他的命令流軟件要更直觀、易懂,但是面向對象的操作界面會產生一些修改不便的問題。本文就FRANC3D的簡易教程做一個簡單的介紹,根據自身學習教程的感受,對需要注意的事項做一個簡單的概述。因軟件本身包含眾多的力學原理,今后仍需進一步深入學習。

[1] FRANC3D and OSM 3D Tutorial.Version 2.6.Cornell Fracture Group,2003.

[2] FRANC3D/OSM.Overview Slides.Cornell Fracture Group,2003.

[3] 吳家龍.彈性力學[M].北京:高等教育出版社,2001.

[4] 程 靳,趙樹山.斷裂力學[M].北京:科學出版社,1995.